Bombas Dinámicas

3

BOMBAS

Desplazamiento Positivo

Reciprocantes

Pistón, Embolo,

Diafragma

Rotatorias

Engranajes, Lóbulos, Tornillo, Paletas

Dinámicas

Giratorias o Rotodinámicas

Flujo radial, Flujo mixto, Flujo axial

Especiales

Eyectores, Electro

magnéticas , etc.

Bombas giratorias o rotodinámicas

Flujo radial (centrífuga) Flujo mixto (hélico centrífugas)

Flujo axial (hélice)

Bombas Centrífugas

3.1

• Bomba más usada en la industria química

• Bombea líquidos en un amplio rango de propiedades y suspensiones con un alto contenido en sólidos

• Se puede construir en un amplio rango de materiales resistentes a la corrosión

• Puede acoplarse directamente a un motor eléctrico y dar una alta velocidad de flujo para su tamaño

• Se emplean en la mayoría de los casos excepto cuando se requiere vencer una gran carga que es cuando se usan bombas de desplazamiento positivo.

Generalidades

El fluido es acelerado por acción de

la fuerza centrífuga, transmitiéndole

energía cinética, la cual se convierte

en energía de presión.

Principio de funcionamiento

voluta

carcasa

rotor

boca de

descarga

Partes de una bomba centrífuga

boca de

succión

1. Boca de succión: constituye la entrada del fluido y la guía del mismo hacia el ojo (centro del rotor)

Partes de una bomba centrífuga

2. Rotor o rodete: consiste de una serie de álabes curvos que aceleran el líquido desde el ojo del rotor a la perisferia.

El rotor puede ser:

Abierto (puede trabajar con suspensiones)

Semicerrado Cerrado (más eficiente)

Pueden ser de:

succión simple succión doble

Los álabes pueden ser:

• curvados hacia atrás (más comunes)

• radiales

• curvados hacia delante

voluta

carcasa

3. Carcasa:

Sistema que recibe al fluido acelerado que sale del rotor, reduce su velocidad y transforma la energía cinética en energía de presión ya sea por medio de:

a) voluta

cámara cuya sección

transversal aumenta

gradual-mente con la

salida tangencial

b) Conjunto de paletas o álabes difusores

fijos formando un anillo difusor

(da un cambio más gradual en dirección al

fluido y una conversión más eficiente de

energía cinética en energía de presión con

respecto a la obtenida con el tipo voluta)

4. Boca de descarga:

Abertura por donde sale el fluido.

Multietapa

¿Cómo hacer que el rotor gire

dentro de la carcasa?

Rotor acoplado a un eje que atraviesa

la carcasa, y el eje es accionado por un

motor.

Rotor inmantado, movido por la atracciíon

de otro imán exterior que a su vez es

accionado por un motor.

5. Eje:

La energía mecánica se transfiere del motor al

rodete de la bomba por un eje que penetra la

carcasa.

Se requiere de otros dispositivos mecánicos:

manchones de acoplamiento, rodamientos,

etc…

En el montaje es fundamental la alineación del

eje motriz (motor) y el eje del rodete.

CASO: EJE ACCIONADO POR MOTOR

6. Sellos:

Dispositivos para evitar la fuga del fluido.

“Una bomba es sólo tan buena como lo es su sello”

- empaquetadura

- sellos mecánicos

Pérdida de fluido

Sin pérdida de fluido pero rozamiento intolerable

6. Sellos:

Dispositivos para evitar la fuga del fluido.

“Una bomba es sólo tan buena como lo es su sello”

- empaquetadura

- sellos mecánicos

Pérdida de fluido

Sin pérdida de fluido pero rozamiento intolerable

Menor pérdida de fluido pero gran rozamiento

Solución con empaquetadura

Solución con empaquetadura

Solución con empaquetadura

Sello mecánico

El sello mecánico es un dispositivo que forma un sello deslizante entre una parte estacionaria y otra en rotación. Las caras de rozamiento presionan una contra la otra en dirección axial. Las fugas pueden ser reducidas a niveles muy bajos con bajos costos de mantenimiento.

Las ventajas respecto a la empaquetadura tradicional son: • Fugas mínimas o nulas • Menor fricción y consecuentemente mayor

eficiencia energética • Eliminación de desgaste del eje • Reducción de costos de mantenimiento • Posibilidad de sellar altas presiones y fluidos

más corrosivos • Existe una gran variedad de diseños que se

ajustan a las particularidades de prácticamente todos los tipos de bombas y sus aplicaciones.

Un sello mecánico tiene tres conjuntos de partes básicos:

• Sello primario: una cara rotativa y otra estacionaria (perfectamente planas) que forman el sello primario

• Un conjunto de sellos secundarios tales como o-rings, v-rings, etc…

• Diversos componentes mecánicos (anillos, collarines, anillos de compresión, resortes, fuelles)

Solución con sello mecánico

Parte estacionaria (va fijada a la carcasa)

Parte rotativa (va fijada al eje)

O-ring Anillo estacionario

Superficie de sello

Anillo rotativo (libre)

Superficie de sello

O-ring

resorte

SELLO SIMPLE

“mechanical seal housing”

parte estacionaria

(fijada a la carcasa)

parte móvil

(fijada al eje)

sello primario sello secundario

sello secundario

sello primario sello secundario

sello secundario

Existe una gran variedad de tipos de sellos mecánicos • varias configuraciones • varios materiales

Materiales usados para en las superficies que forman el sello primario

• Carbon – Inoxidable • Carbon – Carburo de Silicio • Carbon – Carburo de Tungsteno • Carburo de Silicio – Carburo de Silicio • Carburo de Tungsteno – Carburo de Tungsteno • otros

Materiales usados para sello secundario NBR - EPDM - FPM - PTFE - MVQ - CR

Las ventajas respecto a la empaquetadura tradicional son: • Fugas mínimas o nulas • Menor fricción y consecuentemente mayor

eficiencia energética • Eliminación de desgaste del eje • Reducción de costos de mantenimiento • Posibilidad de sellar altas presiones y fluidos

más corrosivos • Existe una gran variedad de diseños que se

ajustan a las particularidades de prácticamente todos los tipos de bombas y sus aplicaciones.

La selección del tipo de sello está influenciada por varias variables:

Diámetro del eje y velocidad

Comportamiento del fluido a bombear: características reológicas, estabilidad térmica, reactividad (inflamable? explosivo? corrosivo?), toxicidad, etc…

Presencia de sólidos: tamaño de partículas, abrasividad, densidad, etc…

Temperatura y presión de trabajo, máxima y mínima

Servicios: fluido de enfriamiento, presión, temperatura, etc..

CASO: ACCIONAMIENTO MAGNETICO

7. Accionamiento magnético

• El accionamiento magnético es un sistema de transmisión de

potencia de un motor a un eje por medio de fuerzas magnéticas.

• Dicha fuerzas se logran mediante un par de imanes permanentes:

• Uno unido al eje de mando (imán conductor).

• Otro unido al impulsor de la bomba (imán conducido).

http://www.drotec.com.ar/folletos_html/caracteristicas-generales-bombas-acople-magnetico.html

• Las fuerzas magnéticas de atracción y repulsión que existen entre

ambos imanes son lo suficientemente fuertes como para transmitir

la potencia del motor al impulsor de la bomba.

• La posición relativa de los imanes no varía mientras el conjunto

rota, de manera que la velocidad de rotación del impulsor de la

bomba es exactamente la misma que la del motor que la acciona

(no hay deslizamiento).

http://www.drotec.com.ar/folletos_html/caracteristicas-generales-bombas-acople-magnetico.html

Características

• La carcasa de la bomba no necesita orificios para el pasaje del

eje y por lo tanto, no se necesitan sellos para controlar las

pérdidas de fluido.

• Diseño simple, con pocas piezas.

• Son herméticas, sin pérdidas, no se producen emisiones. Por lo

tanto son adecuadas para: fluidos corrosivos, tóxicos,

inflamables, contaminantes.

• Fácil montaje, no necesita tareas de alineación.

• Son adecuadas para fluidos limpios (sin sólidos).

• No se debe trabajar en seco (evitar altas temperaturas). Debe

haber un flujo de circulación de caudal interno para lubricar y

disipar el calor generado por la fricción entre bujes y ejes.

8. Motor:

- motor eléctrico

- motor de combustión interna

- motor a turbina de vapor

Motor eléctrico de inducción

El motor eléctrico de inducción es el que más se

emplea en las plantas de procesos.

Sus partes básicas son un rotor cilíndrico y un

estator que rodea al rotor.

El estator está bobinado con un conductor de tal

manera que al pasar la corriente eléctrica alterna

se genera un campo magnético giratorio.

La velocidad angular del campo giratorio en el

estator (velocidad sincrónica) es igual a:

60 f rpm = n

donde:

f es la frecuencia de la corriente alterna expresada

en Hz (en nuestro país, f = 50)

n es el número de pares de polos (que depende

del tipo de bobinado del estator) (n = 1,2,etc…)

El rotor también tiene conductores en los que se

inducen voltajes y campos magnéticos por la

acción del campo magnético giratorio del estator.

Como consecuencia de la interacción de los

campos magnéticos del rotor y del estator, el rotor

gira.

La velocidad a la que gira el rotor es algo inferior a

la velocidad sincrónica. La diferencia entre ambas

velocidades se llama deslizamiento.

El torque que desarrolla el motor guarda relación

con el deslizamiento.

Curvas típicas Velocidad vs Torque, para distintos tipos de motores (tomada de Perry 7a, pág 29-5)

Para accionar bombas se utilizan

motores de diseños A,B,E

Curvas típicas Velocidad vs Torque, para distintos tipos de motores (tomada de Perry 7a, pág 29-5)

Para accionar bombas se utilizan

motores de diseños A,B,E

Cuando el motor gira en

vacío (sin hacer fuerza), el

torque es prácticamente 0 y

el deslizamiento también

Curvas típicas Velocidad vs Torque, para distintos tipos de motores (tomada de Perry 7a, pág 29-5)

En este ejemplo, el

deslizamiento para

motores tipo A, B, y E

es aprox. 3 % Cuando el motor entrega su

potencia nominal, el

deslizamiento alcanza

algunos puntos porcentuales.

La potencia entregada por el motor es:

P = A V I f e

donde

A = 1,713 para motores trifásicos, A = 1

para motores monofásicos

V = voltaje aplicado

I = intensidad de corriente consumida

f = factor de potencia (cos φ)

e = eficiencia del motor

Curva Característica de la bomba

Altura

(H)

Caudal (Q)

Para una bomba dada, la altura

total (H) es función del caudal (Q)

Para construir una teoría elemental se considera:

flujo unidimensional

un campo de velocidades idealizado a través del rotor

que todos los flujos son uniformes en cada sección y que entran y salen del rotor tangentes a los álabes

estado estacionario

H virtual (teórico) de la Bomba Centrífuga

τ torque

F F F

F

F F

F

F

F

ω

Potencia W =

El torque que actúa sobre un cuerpo es igual a la

la velocidad con la que varía su momento angular.

A su vez, el momento angular de un sistema en rotación es:

dMsistemaM

uxrangularmomento

donde

r vector posición de la masa dM respecto al eje

u vector velocidad de esa masa

u

ω

α

elemento de fluido

(gota) de masa dm

r

θ

= dm (r u cos θ) = dm (r u sen α) = dm ( r X u) momento angular

(de la gota)

u1

r1 θ1

momento angular (a la entrada) = dm r1 u1 cos θ1

u2

r2

θ2

momento angular (a la salida) = dm r2 u2 cos θ2

momento angular (a la entrada) = dm r1 u1 cos θ1

cambio de momento angular = dm (r2 u2 cos θ2 - r1 u1 cos θ1)

u1

r1 θ1 = 90º

cambio de momento angular = dm (r2 u2 cos θ2 - r1 u1 cos θ1)

Si el fluido entra al impulsor con una velocidad absoluta puramente radial…

…no tiene momento angular a la entrada (cos θ1 = 0)

cambio de momento angular = dm (r2 u2 cos θ2 - r1 u1 cos θ1)

cambio de momento angular del elemento de fluido = dm r2 u2 cos θ2 (gota) de masa dm

El torque actuando sobre ese elemento de fluido es la velocidad de cambio del momento angular =

d = (Q/V) dm r2 u2 cos θ2

El tiempo que demora ese elemento de fluido en sufrir ese

cambio de momento angular es el tiempo en que demora

el fluido en pasar desde la entrada a la salida de la bomba

= (volumen del interior de la bomba) / (caudal) = V / Q

El torque actuando sobre todo el fluido =

= (Q/V) M r2 u2 cos θ2= Q ρ r2 u2 cos θ2

(simetría radial, todos los elementos de fluido sufren los mismos cambios entre entrada y salida)

A su vez, la potencia al freno, BHP =

Por otro parte, si H es la altura desarrollada por la

bomba entonces la potencia hidráulica,

LHP = Q g H

= Q ρ r2 u2 cos θ2

BHP = Q ρ r2 u2 cos θ2

Q g H = Q ω u2 r2 cos θ2

Si no hay pérdidas: LHP = BHP

De donde despejamos H (la altura virtual desarrollada por la bomba):

ω r2 u2 cos θ2 H = g

, r2 , g son conocidos,

u2, q2 se expresan en términos de

cantidades conocidas (Q, b, b2)

(como se explica en las siguientes diapositivas)

donde:

ω r2 u2 cos θ2 H = g

us

u

ur

ω

r

θ us = u cos θ

ur = u sen θ

ut

u

urb

ω

r

θ β ut = r

ut = r

u urb

θ β

ur

u cos θ = ω r – urb cos β

ur = velocidad radial = u sen θ = urb sen β

r

ur Q = (2π r b) ur

ut = r

u urb

θ

u cos θ = ω r – urb cos β

β

ur = velocidad radial = u sen θ = urb sen β

ur

Q = (2π r b) ur ur = Q / (2π r b)

urb sen β = Q / (2π r b) urb = Q / (2π r b sen β)

Q u cos θ = ω r - 2π r b tan β

H no depende de !!!

El ∆P que da la bomba, es

directamente proporcional a

… y como ∆P = g H

… pero vimos que ω u2 r2 cos θ2 H = g

Reemplazando… r2

2 ω2 Q ω H = - g 2π b g tan β2

Q u cos θ = ω r - 2π r b tan β

Dado que el ∆P es directamente proporcional a la

densidad del fluido, si la bomba centrífuga está

llena de aire el ∆P que genera es muy pequeño.

Para que la bomba pueda empezar a operar

aspirando un líquido desde un nivel inferior al de

succión es necesario “cebarla” (esto es, desalojar

el aire de la cañería de succión y de la propia

bomba llenándola con el líquido a bombear).

El ∆P que da la bomba, es

directamente proporcional a

zs

Cañerías de admisión

Bomba debajo del tanque…

en general no hay problema

con el cebado

zs

Válvula de pie

con colector

Cañerías de succión

Bomba encima del tanque…

riesgos de que se descebe,

dificultad para cebar…

2

222

tggb2

Q

g

rH

b

A B

Si = constante:

QBAH

Véase que el signo de B depende del signo

de tg β2, y éste depende del ángulo β2

u2

r2

θ2

urb2

β2 ut = r2

- álabe curvo hacia atrás,

0 < b2 < /2

(y entonces tg b2 > 0)

- álabe curvo hacia adelante,

/2 < b2 <

(y entonces tg b2 < 0)

Altura

(H)

Caudal (Q)

Caso álabe curvado

hacia atrás (el más común) 0 < b2 < /2 y entonces tg b2 > 0, por lo que B > 0

Curva teórica para = constante, H = A – B Q

b < 90

b = 90

b > 90 álabe curvado hacia adelante:inestable,

puede originar oscilaciones

de bombeo

Efecto teórico del ángulo de salida del

álabe en la curva característica: H vs Q

álabe curvado

hacia atrás

álabe radial

álabe curvado

hacia adelante

Altura

(H)

Caudal (Q)

Bomba con álabes curvados hacia atrás y N cte.

Curvas Características de Bombas Centrífugas

CURVA

TEORICA

Altura

(H)

Caudal (Q)

Bomba con álabes curvados hacia atrás y N cte.

Curvas Características de Bombas Centrífugas

CURVA

TEORICA Entre varias cosas que

supusimos para llegar a esta

«recta», una importante fue

que no había «pérdidas» de

energía dentro de la bomba y

que LHP = BHP

Si no hay pérdidas: LHP = BHP , y entonces:

ω u2 r2 cos θ2 H = = A – B Q g

… y que BHP = Q ω u2 r2 cos θ2

Vimos que: LHP = Q g H

Si hay pérdidas: LHP = BHP – [pérdidas]

ω u2 r2 cos θ2 [pérdidas] H = - g Q g

H = A – B Q – f (Q)

Bomba con álabes curvados hacia atrás y N cte.

Curvas Características de Bombas Centrífugas

Altura

(H)

Caudal (Q)

CURVA

TEORICA

Pérdida debida a

recirculación

Pérdida debida a la

fricción de flujo

interno

Pérdida de “impacto” (debido

a la falta de ajuste entre los

ángulos de las hojas del

impulsor y la dirección del

flujo de entrada)

CURVA REAL

Bomba con álabes curvados hacia atrás y N cte.

Curvas Características de Bombas Centrífugas

Altura

(H)

Caudal (Q)

CURVA

TEORICA

CURVA REAL

Para N cte.

Curvas Características de Bombas Centrífugas